6.4超声加工的应用

6.4　超声加工的应用

超声加工的应用范围很广，不仅可加工型腔、型孔，还可用于切割、复合加工、焊接、抛光及清洗等。虽然超声加工的效率较低，但其加工精度和表面粗糙度都比较好，而且能对电火花和电解加工不能加工的半导体和非导体等硬脆材料进行有效的加工。

6.4.1　超声型孔、型腔加工

超声加工可用于型孔、冲模、型腔模、套料、微细孔的加工，且具有加工精度高表面质量好的特点，如图6.9所示。有的型腔模、拉丝模等可先用电火花、电解或激光加工进行粗加工，再用超声研磨抛光来降低粗糙度，提高表面质量，这将较大地减少和消除电火花加工留下的微裂纹，提高模具的抗疲劳强度，也就大大提高了模具的寿命。

图6.9　超声加工的型孔、型腔类型

(a)加工圆孔　(b)加工型腔　(c)加工异形孔　(d)套料加工　(e)加工微细孔

6.4.2　超声切割加工

通常硬脆的半导体材料靠普通机械加工切割是很困难的，而采用超声波切割则较为容易，而且超声波精密切割半导体、氧化铁、石英等，精度高、生产率高、经济性好，并且可以利用多刃刀具切割单晶硅片，一次可切割加工20片以上，如图6.10所示。

图6.10　超声切割单晶硅片

1—变幅杆；2—工具薄钢片；3—磨料液；4—单晶硅

6.4.3　超声复合加工

(1)超声电解复合加工

超声波加工速度慢，且工具损耗较大；电解加工速度高但加工稳定性差精度低。但两者结合起来，则不但可降低工具损耗，而且可提高加工精度和速度。如图6.11所示为超声波电解加工小孔示意图。工件5接电源6正极，工具3(用钼丝、钨丝或铜丝)接负极，两者之间电压为6～8 V，在NaCl电解液中加入一定比例的磨料。加工时，被加工表面在电解液的作用下，产生阳极溶解而生成阳极钝化膜，此钝化膜将在超声波振动的工具及磨料作用下被刮除。

(2)超声电火花复合加工

电火花成型加工效率较低，如在电火花成型加工的工具上加装超声振动装置(换能器、变幅杆)，原理类似图6.11，不过直流电源改为直流脉冲电源。形成的超声电火花复合加工，在电火花放电的同时工具端面做超声振动，电火花加工的放电脉冲利用率大大提高，可对小孔、窄缝及精微异形孔进行高效率的加工，加工质量也得到提高。生产率将提高倍数以上。

(3)超声机械切削复合加工

在精密车削小直径工件时，受机床转速的限制，刀具相对于工件的切削速度达不到需要的较高切削速度，在刀具上安装超声振动系统可大大提高刀具与工件的切削速度，可保证精密车削的工件精度和表面质量，并能有效地降低切削力，延长刀具使用寿命、提高生产率。如图6.12所示为超声振动车削示意图。

图6.11　超声电解复合加工

1—换能器；2—变幅杆；3—工具；4—电解液磨料；5—工件；6—直流电源；7—超声电源

图6.12　超声机械复合加工

1—换能器；2—变幅杆；3—工件；4—刀具

6.4.4　超声焊接

超声焊接是利用超声频振动作用，使被焊接工件的两个表面在高速振动撞击下，去除工件表面的氧化膜，露出新鲜的本体，使该表面摩擦发热亲和、熔化并黏结在一起。它可焊接尼龙、塑料制品，特别是表面易产生氧化层的难焊接金属材料，如铝制品等。由于在超声波焊接时时间短及薄表面层冷却快，因此，获得的接头焊接区是细晶粒组成的连续层。如图6.13所

图6.13　超声焊接加工

1—换能器；2—固定轴；3—变幅杆；4—工具头；5—工件；6—反射体示为超声波焊接示意图。因此，它不仅可加工金属，还可加工尼龙、塑料等制品。在大规模的集成电路制造焊接中，也广泛采用该加工方法。在机械制造业中，超声焊接由于不需要外加热和焊剂，热影响小、外加压力也小，不产生污染，工艺性和经济性也较好，特别适合焊接直径小或厚度很小的工件。

6.4.5　超声清洗

超声振动清洗的原理主要是基于清洗液在超声波的振动作用下，使液体分子产生往复高频振动，引起空化效应的结果。空化效应使液体中急剧生长微小空化气泡并瞬时强烈闭合，产生的微冲击波使被清洗物表面的污物遭到破坏，并从被清洗表面脱落下来。在污物溶解于清洗液的情况下，空化效应加速溶解过程，即使是被清洗物上的窄缝、细小深孔、弯孔中的污物，也很易被清洗干净。因此，超声波清洗主要用于形状复杂、清洗质量高的中、小精密零件，特别是深孔、弯曲孔、盲孔、沟槽等特殊部位。采用其他方法效果差，采用该方法清洗效果好，生产率高，净化程度也高。因此，超声振动被广泛用于对喷油嘴、喷丝板、微型轴承、仪表齿轮及零件、手表整体机芯、印制电路板、集成电路微电子器件的清洗中。如图6.14所示为超声清洗装置示意图。

图6.14　超声清洗装置

1—清洗槽；2—变幅杆；3—压紧螺钉；4—压电陶瓷换能器；5—镍片(＋)；6—镍片；7—接线螺钉；8—垫圈；9—钢垫块